【正文】 %。目前，國內(nèi)最大的甲醇單套裝置規(guī)模為 40萬 t/a，主要的生產(chǎn)企業(yè)有榆林天然氣化工公司、四川維尼綸廠、上海焦化有限公司、藍(lán)天集團(tuán)光山化工公司、大慶油田化工公司和內(nèi)蒙古蘇里格化工公司等，生產(chǎn)規(guī)模一般在 18 萬～ 40萬 t/a。中海油海南 60 萬 t/a 裝置和日本三菱瓦斯在重慶 建設(shè)的 85 萬 t/a 裝置是我國目前在建的最大甲醇裝置， 2020 年國內(nèi)甲醇企業(yè)累計生產(chǎn)甲醇 萬噸，同比增長 %， 2020 年 112 月產(chǎn)量為 萬噸，同比增長 34%，行業(yè)依存度也由去年同期的 %降至 %，同比下降 %。 盡管我國甲醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但也存在不少問題，主要表現(xiàn)為企業(yè)多、規(guī)模小、管理機制僵化、效率低、費用高、效益差、秩序混亂等。 2020～ 2020 年，化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 全世界將有近 4000 萬 t/a 甲醇產(chǎn)能投產(chǎn)，屆時甲醇行業(yè)必將面臨激烈的市場競爭。國內(nèi)甲醇生產(chǎn)企業(yè)若要在競爭中保持不敗 ，或在甲醇行業(yè)中有立足之地，就必須認(rèn)清競爭的內(nèi)外部環(huán)境和自身的優(yōu)勢、劣勢，制定合理的發(fā)展戰(zhàn)略和競爭戰(zhàn)略。 、甲醇汽油發(fā)展前景 由于目前經(jīng)濟(jì)大發(fā)展及汽車保有量的增加，我國汽柴油的供應(yīng)已出現(xiàn)嚴(yán)重短缺。國家為緩解石油資源的短缺狀況曾提出乙醇的使用，并在黑龍江、吉林、河南、遼寧、安徽全部地區(qū)及河北、山東、江蘇、湖北 4 省部分地區(qū)進(jìn)行封閉使用。但是，由于 3. 3 噸糧食才能生產(chǎn) 1噸乙醇，成本很高，而且我國糧食并不富裕，糧食安全線 4. 7 億噸。在 2020 年，我國僅產(chǎn)糧食 4. 3 億噸，缺口 4 5 千萬噸，隨著人口的增 長及可耕面積的進(jìn)一步減少，用糧食轉(zhuǎn)化為乙醇作為汽油替代燃料的現(xiàn)實作用并不是很大。我國作為一個地處溫帶氣候的國家，生物質(zhì)能源并不是很豐富，加之人口眾多，環(huán)境保護(hù)的任務(wù)非常艱巨，所以像巴西用豐富的生物質(zhì)做原料轉(zhuǎn)化成為乙醇作為汽柴油的補充對我國來說并沒有多大的借鑒意義。所以用乙醇汽油作為替代燃料對解決我國目前的能源緊張狀況還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第 2 章 甲醇合成的主要設(shè)備和合成工藝 、甲醇合成的主要設(shè)備 甲醇合成反應(yīng)器是甲醇合成系統(tǒng)的最重要的設(shè)備，也稱甲醇轉(zhuǎn)化器或甲醇合成塔。 甲醇合成 的兩個基本反應(yīng)： 化工商務(wù)網(wǎng) % s! G4 }39。 ~39。 ?+ V。 l2 J2 C CO＋ 2H2＝ CH3OH＋ kJ/mol（常壓 25 ℃） 提供最新化工產(chǎn)品 CO2＋ 3H2＝ CH3OH＋ H2O＋ kJ/mol；（常壓 25 ℃） 從上式可以看出，甲醇合成反應(yīng)是一個可逆的強放熱反應(yīng)過程。因此甲醇合成反應(yīng)器的設(shè)計必須符合兩個最基本的條件：一是能及時將反應(yīng)熱移走，使合成反應(yīng)平衡盡可能接近反應(yīng)平衡曲線，同時避免因反應(yīng)熱的積累而燒壞催化劑；二是盡可能的提高高壓空間的利用率，多裝催化劑，以提高甲醇合成反 應(yīng)器的生產(chǎn)能力?？v觀國內(nèi)外的固定床式甲醇合成反應(yīng)器，盡管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多種多樣，但其設(shè)計的主要指導(dǎo)思想不外乎上述兩種設(shè)計思想。從眾多的結(jié)構(gòu)形式上，我們可以按氣體在塔內(nèi)的流向不同，將它們分為軸向流式、徑向流式、軸徑向流混合式（簡稱軸徑向式）；按其移熱的方式不同，我們可以將它們分為直接冷激式（簡稱冷激式）、間冷式、冷激間冷組合式（簡稱組合式）；按所用的冷卻介質(zhì)的不同，我們可以將它們分為氣冷式和水冷式兩種；按移熱構(gòu)件（或設(shè)備）的位置可分為塔內(nèi)移熱式和塔外移熱式。 目前國內(nèi)外低壓合成工藝有多種形式，工藝過程大致相同，技 術(shù)都比較成熟，主要區(qū)別在于各種工藝所采用的反應(yīng)器不同，催化床層的溫控方式也不同?？偟内厔菔窍虼純糁蹈?，副產(chǎn)品中壓蒸汽，投資省、操作靈活、方便的方向發(fā)展。比較常用又冷激式、列管等溫式以及冷管反應(yīng)器。 、 工藝對甲醇合成反映器的要求 ① 甲醇合成是放熱反應(yīng)，因此，合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證在反應(yīng)過程中及時將反應(yīng)放出的熱量移出，以保持反映溫度盡量接近理想溫度分布。 ② 甲醇合成是在催化劑作用下進(jìn)行，生產(chǎn)能力與催化劑的裝填量成正比例關(guān)系，所以要充分利用合成塔的容積，盡量多裝催化劑，以提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。 化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 ③ 高空速能獲得高產(chǎn)率，但氣體通過催化劑床層的壓力降必然會增加，因此應(yīng)使合成塔的流體阻力盡可能小，避免局部阻力過大的結(jié)構(gòu)。同時，要求合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)必須簡單，緊湊，堅固，氣密性好，便于拆卸，檢修。 ④ 盡量組織熱量交換，充分利用反應(yīng)余熱，降低能耗。 ⑤ 合成反應(yīng)器應(yīng)能防止氫，一氧化碳，甲醇，有機酸及羰基物高溫下對設(shè)備的腐蝕。 ⑥ 便于操作控制和工藝參數(shù)調(diào)節(jié) 、 合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與材質(zhì) 甲醇合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式較多，根據(jù)反應(yīng)熱移出方式不同，可分為絕熱式和等溫式兩大類；按照冷卻方式不同，可分為直接冷卻的冷激式和 間接冷卻的列管式兩大類。以下介紹低壓法合成甲醇所采用的冷激式和列管式兩種反應(yīng)器。 冷激式絕熱反應(yīng)器 這類反應(yīng)器把反應(yīng)床層分為若干絕熱段，段間直接加入冷的原料氣使反應(yīng)氣冷卻，故稱之為冷激式絕熱反應(yīng)器。冷激式絕熱甲醇合成反應(yīng)器如圖二。該類型甲醇合成反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)特點是在各段催化劑床層之間設(shè)一冷激分布器，通過冷激分布器使冷氣體與熱氣體在其內(nèi)直接混合，達(dá)到降低反應(yīng)氣溫度的目的。由于其移熱方式為冷熱氣體直接混合式移熱，因此具有傳熱系數(shù)高、換熱效果好，且結(jié)構(gòu)簡單、維修工作量少、控制手段靈活、操作穩(wěn)定可靠，特別適于 大型化裝置等優(yōu)點。該類型的甲醇合成反應(yīng)器的主要技術(shù)關(guān)鍵是：冷激分布器的設(shè)計。 冷激分布器的工作原理是利用其混合空間的低阻力將熱氣體引入混合空間，利用噴嘴調(diào)節(jié)冷氣體的噴出速度與角度，以達(dá)到在混合空間內(nèi)冷熱氣體得以充分的混合與傳熱。由于冷熱氣體為直接混合式傳熱，因此傳熱效率高，效果好；另一方面，由于該類型塔的塔內(nèi)移熱是通過加入的冷激氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此它的適應(yīng)性特別強，可以根據(jù)塔內(nèi)各段催化劑床層的反應(yīng)情況來決定加入冷激氣的多少，操控手段較為靈活，操作穩(wěn)定可靠。 冷激分布器的關(guān)鍵技術(shù)： （ 1）混合空間的設(shè)計。衡 量冷熱氣體的混合均勻度的指標(biāo)是混合因子，影響混合因子的因素主要有混合空間的大小、形狀及冷熱氣體的流速等。 化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 （ 2）噴嘴的設(shè)計。噴嘴的設(shè)計主要根據(jù)混合空間內(nèi)氣體流速及流動狀態(tài)的要求，其設(shè)計的主要參數(shù)有：噴嘴的數(shù)量、角度、噴孔的大小及不等距等。 （ 3）通過對冷激分布器截面形狀的設(shè)計可以保證混合的氣體在進(jìn)入下一段催化劑床層時，氣體仍然可以均勻分布。 冷激分布器設(shè)計與計算的依據(jù)是流體動力學(xué)、熱力學(xué)及實驗測定與放大。其結(jié)構(gòu)特點： （ 1）埋于相鄰兩段催化劑床層之間，但并不使二者截然分開，催化劑可以自由流動 ，便于裝卸； （ 2）該冷激分布器結(jié)構(gòu)簡單，裝卸及維修方便。 該類型塔的主要缺點：冷激氣的加入不可避免地 “ 沖稀 ” 了反應(yīng)氣中生成物的濃度，且因催化劑床層為全軸向床層，因此塔阻力較大。 列管式等溫反應(yīng)器 列管式等溫反應(yīng)器的優(yōu)點是溫度易于控制，單程轉(zhuǎn)化率高，循環(huán)氣量小，能量利用較經(jīng)濟(jì)，反應(yīng)器生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。 列管式等溫甲醇合成反應(yīng)器如圖三。該類型甲醇合成反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)形式類似于列管式換熱器，通常有管內(nèi)裝催化劑、管外為鍋爐水，以及管外裝催化劑、管內(nèi)走水兩種結(jié)構(gòu)形式，另外還有一種使用雙套管的 甲醇合成反應(yīng)器（該塔為日本三菱重工業(yè)公司和三菱瓦斯化學(xué)公司共同開發(fā)的超轉(zhuǎn)化率合成塔），催化劑裝填于內(nèi)外管間的環(huán)形空間中，鍋爐水在管間循環(huán)，內(nèi)管走冷氣。列管式甲醇合成反應(yīng)器的移熱方式是冷卻介質(zhì)通過列管與反應(yīng)氣之間進(jìn)行間接換熱，其冷卻介質(zhì)為未反應(yīng)氣或鍋爐水。 該類型反應(yīng)器的主要優(yōu)點：單位體積催化劑床層的傳熱面積較大，床層溫差變化小，操作平穩(wěn)，熱能利用合理。 主要缺點：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，對材料及制造要求較高，設(shè)備投資大；催化劑裝卸較困難；高壓空間的利用率低，催化劑裝填系數(shù)小（僅 35％），單塔生產(chǎn)能力小，大型 化難度大；除 MRF 塔為徑向塔外，其余塔型均為全軸向塔，塔阻力較大。 均溫型冷管甲醇合成反應(yīng)器 均溫型冷管甲醇合成反應(yīng)器如圖四。該類型甲醇合成反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)特點化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 是采用螺旋式冷管或 U 形冷管（目的是為了消除冷管的熱應(yīng)力）埋于催化劑床層中，通過管內(nèi)的冷卻介質(zhì)與管外的催化劑進(jìn)行連續(xù)間接熱交換，以達(dá)到及時移出反應(yīng)熱的目的，冷卻介質(zhì)為鍋爐水或未反應(yīng)氣。 該類型合成塔的主要優(yōu)點：均溫操作，減少了對催化劑的熱應(yīng)力，從而提高了它的使用壽命；單位體積催化劑床層的傳熱面積相對較大，床層溫差變化小，操作較平穩(wěn)。 主要缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造困難，焊點較多，易泄漏；由于冷管束的存在，催化劑裝填均勻度難以保證；特別是使用未反應(yīng)氣作為冷卻介質(zhì)時，由于未反應(yīng)氣與催化劑床層的溫差較大，存在一定的 “ 冷壁效應(yīng) ” ，影響了催化劑的使用效率。另外，由于該類型塔為全軸向塔，因此塔阻力較大，大型化的潛力相對較小。 GC 型軸徑向多層絕熱式甲醇合成反應(yīng)器 軸徑向多層絕熱式甲醇合成反應(yīng)器是軸向、徑向催化劑床層結(jié)構(gòu)，移熱方式為直接冷激 +間接換熱的組合式甲醇合成反應(yīng)器。該類型反應(yīng)器是南京國昌化工科技有限公司創(chuàng)始人、國內(nèi)氨（甲醇）合成塔 技術(shù)方面國家級專家、國內(nèi)知名學(xué)者呂仲明教授幾十年的研究結(jié)果，擁有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)，結(jié)構(gòu)形式如圖五。 該類型塔的主要結(jié)構(gòu)特點：間接換熱與直接換熱相結(jié)合，軸向流與徑向流相結(jié)合的一種全新甲醇合成反應(yīng)器。在催化劑床層的一、二段之間采用直接換熱式，提高了換熱效率，簡化了結(jié)構(gòu)；在催化劑床層的二、三段及三、四段之間采用間接式換熱，避免了冷激式換熱對反應(yīng)氣的 “ 沖稀 ” 作用，提高了合成率；在反應(yīng)器內(nèi)氣體的流動方式上，采用軸向流與徑向流相結(jié)合的特點，使整塔的阻力僅為全軸向合成反應(yīng)器的 40％～ 60％。該類型塔的技術(shù)關(guān)鍵：一是 冷激分布器的設(shè)計；二是魚鱗式徑向流分布器的設(shè)計。 關(guān)于冷激分布器的設(shè)計，前文已經(jīng)詳述，這里不再重述，僅對魚鱗式徑向流分布器的設(shè)計作一簡要介紹。 魚鱗式徑向流分布器的工作原理：首先利用不等徑小孔的不等距布置對氣體進(jìn)行一次分布，其次是利用魚鱗式徑向流分布器上的切線孔來改變氣體進(jìn)出催化劑筐的角度，對氣體進(jìn)行二次分布，以提高氣體分布的均勻度。魚鱗式徑向流分布器的技術(shù)關(guān)鍵： 化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 （ 1）不等徑、不等距小孔的開孔與分布； （ 2）魚鱗筒的開孔大小、間距與角度； （ 3）不開孔段的長度。 魚鱗式徑向流分布器的結(jié)構(gòu)特點 是： （ 1）氣流從切線方向進(jìn)出催化劑床層，可以最低限度減少催化劑層的死角； （ 2）氣流分布通過調(diào)節(jié)不等孔徑和孔數(shù)，以及魚鱗板的再分布特性加以控制，保證了徑向流的均勻分布。 （ 3）合成氣在魚鱗式徑向流分布器中流程短，流速低，阻力小。 合成塔類型 冷激式 列管式 冷管式 軸徑向式 氣體流動方式 軸向 軸向 軸向 軸徑向 移熱方式 直接冷激式 間接換熱式 間接換熱式 組合式 移熱介質(zhì) 合成氣 鍋爐水 合成氣 合成氣 催化劑裝填系數(shù) ～ ～ ～ ～ 合成壓力 MPa ～ ～ ～ ～ 反應(yīng)溫度 ℃ 230～ 270 230～ 250 225～ 250 225～ 270 合成塔阻力 大 大 大 低 設(shè)備尺寸 設(shè)備較大 較大 緊湊 緊湊 技術(shù)特點 調(diào)溫方便；副產(chǎn)低壓蒸汽 適用于高 CO；副產(chǎn)中壓蒸汽 適用于高惰性氣的合成氣；副產(chǎn)低壓蒸汽 適應(yīng)性能強，調(diào)溫方便；副產(chǎn)低壓蒸汽 設(shè)備結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 簡單 對材料的要求 低 高 中 低 設(shè)備造價 低 高 中 低 大型化潛力 大 中 中 大 反應(yīng)器材質(zhì) 合成氣中含有氫和一氧化碳，氫氣在高溫高壓下會和鋼材發(fā)生脫碳反應(yīng)（即氫分子擴散到金屬內(nèi)部，和金屬材料中的碳發(fā)生反應(yīng)生成甲烷逸出現(xiàn)象），會大大降低鋼材的性能。一氧化碳在高溫高壓下易和鐵發(fā)生作用生成五羰基鐵，引起化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 設(shè)備腐蝕，對催化劑也有一定的